DE3215699A1

DE3215699A1 - Rotationskolbenmaschine mit verbesserter dichtungsanordnung

Info

Publication number: DE3215699A1
Application number: DE19823215699
Authority: DE
Inventors: Benjamin 55417 Minneapolis Minn. Hoffmann
Original assignee: TROCHOID POWER CORP
Current assignee: TROCHOID POWER CORP
Priority date: 1981-04-28
Filing date: 1982-04-27
Publication date: 1982-11-18
Also published as: JPS57179303A; GB2097474A; US4395206A; CA1189799A; GB2097474B; JPH0137564B2

Description

Dipl.-Ing. RUDOLF SEIBERT

Rechtsanwalt u. Patentanwalt Tattenbachstraße 9 8000 MÜNCHEN 22

TROCHOID POWER CORPORATION 14789 Martin Drive

Eden Prairie Minnesota 55344

Rotationskolbenmaschine mit verbesserter Dichtungsanordnung

Anwaltsakte: 4119

Dipl.-Ing. RUDOLF SEIBERT

Rechtsanwalt u. Patentanwalt

Tattenbachstraße 9

8000 MÖNCHEN 22

Titel: Rotationskolbenmaschine mit verbesserter Dichtungsanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf Trochoid- Rotationskolbenmaschinen mit kreisendem Innenläufer (Kreiskolbenmaschine) mit verbesserter Dichtungsanordnung und speziell auf den Aufbau und die Herstellung derartiger Dichtungsanordnungen mit dem Ziel das Expansionsverhältnis dem rechnerischen Maximalwert anzunähern.

Kreiskolbenmaschinen, wie beispielsweise ein Wankelmotor oder eine Epitrochoid-Kreiskolbenmaschine besteht im allgemeinen aus einem Gehäuse, in welchem eine Ausnehmung ist, in der ein Innenläufer drehbar für eine Planetenbewegung geführt ist. Dabei können Trochoid-Kreiskolbenmaschinen in zwei Gruppen unterteilt werden, nämlich Maschinen mit Innentrochoide und Außentrochoide. Bei einem Innentrochoidaufbau hat die Innenwand der Ausnehmung im Gehäuse ein trochoides Profil und das Außenprofil des Innenläufers ist entsprechend der Hüllkurve der Trochoidekurve als Gegenprofil geformt. Bei einer Außentrochoidmaschine weist der Innenläufer eine Trochoidkurve auf und die Gehäuseausnehmung besitzt ein Profil der äußeren Einhüllenden dieser Kurve als Gegenprofil. Die zwischen den peripheren Flächen von Innenläufer und Gehäuse gebildeten variierenden Abstände dienen als Arbeitskammern für Verbrennungsmaschinen, Kompressoren, Expander, Meßgeräte usw. Die Arbeitskammern werden gegeneinander über sich radial erstreckende Scheiteldichtungen abgedichtet, die längs der Schnittlinie zwischen benachbarten peripheren Flächen der Hüllkurve angeordnet sind. Typische Scheitel-

abdichtungsanordnungen zur Verwendung in einer Innen-Epitrochoid-Rotationskolbenmaschine sind beispielsweise gezeigt im US-PS 2 008 von Wankel und US-PS 3 139 072 von Froede.

Bei gängigen Rotationskolbenmaschinen des Trochoidtypes weisen Scheiteldichtungen eine Kurvenprofilfläche auf, die an den entsprechenden Scheiteln so befestigt sind, daß die Dichtflächen um etwa den Radius des Kurvenprofiles aus der Fläche hervorstehen. Dabei wird der Mittelpunkt der Kurve für die Scheiteldichtungen in den Scheitelpunkten der Hüllkurve angeordnet. Bei üblicher Herstelltechnik wird dabei zuerst ein ideales Trochoidkurvenprofil ausgewählt, dann das entsprechende Motorteil (Innen- oder Außenläufer) danach gebaut, dann eine Ausnehmung in der Periphärie angebracht mit einer Tiefe gleich der Erstreckung der Dichtung nach außen zum Halten der Scheiteldichtungen. Dabei ist der Wert des Oberstehens im wesentlichen gleich der halben Breite des Dichtelementes oder dem Radius des Dichtungsprofils. Die Trochoidprofile werden um diese Dichtungsvorsprungswerte eingeschnitten, um ein Schwingen der Dichtungen in den Dichtungsnuten zu verhindern was zum Prellen in der gegenseitigen Anlage und zur erhöhten Abnutzung führen würde. Diese Technik wird beispielsweise bei Wankel RC-Maschine (erste Ausgabe 1969) von R.F. Ansdäle auf Seiten 81 und 133 und dem US-Patent von Wankel 2 988 008 beschrieben. In einigen Beispielen wird angeregt, das Trochoidprofil mehr unter dem Gewichtspunkt der Dichtungsvorsprünge im Scheitel an ausgewählten Stellen der Profilperiphärie auszuwählen, um ein Prellen zu verhindern, so wie es offenbart wird in dem US-Pafcent 3 139 072 von Froede.

^" Der Nachteil dieser Handhabung des Einbettens in der trochoidischen Profilfläche ist, daß ein zusätzlicher Raum in der Arbeitskammer erzeugt wird, der niemals durch Bewegung des Innenläufers verändert wird. Infolgedessen ist das Verdichtungs- oder Expansionsverhältnis

bei solchen Maschinen wesentlich geringer als im Idealfall. 35

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Mangel durch Angabe einer modifizierten Hüllkurve (Gegenprofils) zu beseitigen, die Überhöhungen der Dichtungsprofile zu eliminieren und damit eine Annäherung an das ideale Verdichtungsverhältnis zu erreichen.

Diese Aufgabe wird mit einem Aufbau der Dichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine Kreiskolbenmaschine mit einem kreisenden Innenläufer hat dementsprechend Arbeitskammerprofile, die auf der erfindungsgemäß modifizierten Trochoidkurve beruhen. Die modifizierte Trochoidkurve dient zur Ableitung benachbarter und unterteilter peripherer Flächen des Gegenprofils (Einhüllenden), vorzugsweise unter kontinuierlichem Einbeziehen des Oberflächenverlaufes der Scheiteldichtungen. Eine relative Bewegung zwischen der Trochoiden und der Gegenprofilflache- beim Arbeiten der Kreiskolbeneinrichtung kann mit einem im wesentlichen Null betragenden Abstand zwischen den gleitenden Oberflächen dadurch geführt werden. Zur Bildung derartiger modifizierter Kreiskolbenprofile werden zunächst die Exzentrizität des Innenläufers sowie die 'Rollkreis- und Basiskreisdimensionen ausgewählt. Dann wird der radiale Abstand (Vektor) des Beschreibungspunktes zur Bildung eines vorbestimmten, idealen epitrochoiden Profiles sowie ein gemeinsamer Krümmungsradius für die gekrümmte Oberfläche der Scheiteldichtungen bestimmt. Das ideale Trochoidprofil wird aber nicht verwendet zur Ausgestaltung einer Drehkolbeneinheit. Vielmehr wird ein modifiziertes Trochoidprofil erzeugt durch Ersetzen des Beschreibungspunktes durch einen Kreis

^O _mit einem Radius gleich der Höhe der Scheiteldichtung, üblicherweise dem Dichtungsoberflächenprofilradius, und dann wird ein Trochoidband erzeugt. Das Band hat eine innere und äußere Begrenzung an gegenüberliegenden Seiten, von der das ideale Trochoidprofil wiedergebenden Mittellinie. Für einen "Innenhüllenaufbau" dient die äußere Linie des Bandes als Trochoidkurve,

■J von der das innere Hüllenprofil (Gegenprofil) abgeleitet wird. Bei einem "Außenhüllenaufbauf' hingegen dient die innere Linie des Bandes als Trochoidkurve. Derart abgeleitete Innenhüllen und Außenhüllen Trochoideinrichtungen vermeiden die Anwesenheit c von Dichtungsüberhöhungsfreiräumen in den Arbeitskammern und damit eine Annäherung an das ideale Verdichtungsverhältnis. Zur Annäherung der so gebildeten equidistanten Kurve zu einer Trochoiden an deren idealen Verlauf kann der Abstand des Mittelpunktes des Kreises am Beschreibungspunkt vergrößert werden

IQ zur Erzeugung der Kurve gemäß der Erfindung bei einer Außenhüllenmaschine und verringert werden für eine Innenhüllenmaschine, und zwar jeweils um die Dichtungshöhe. Bei Anwendung der Erfindung können außerdem wesentlich bereitere Dichtungen verwendet werden als bei üblichen Ausführungen, was zu einer verbesserten Dichtung und geringeren Abnutzung führt. Der Nachteil, daß bereitere Dichtungen zur größeren Freiräumen in den Arbeitskammern führen, ist ja nicht mehr gegeben.

Auf diese Weise wird in Übereinstimmung mit der Erfindung eine Rotationskolbeneinrichtung mit einem ersten Arbeitsglied mit einer einer Trochoidkurve folgenden Profiloberfläche und einem zweiten Arbeitsglied mit einer Profilfläche, die als Einhüllende von der Trochoidkurve abgeleitet ist und eine Mehrzahl von Scheiteln aufweist, an denen entsprechende Dichtungen vorhanden sind, die ein Dichtungsoberflächenprofil zum Abdichten der sie berührenden Profilfläche des ersten Arbeitsgliedes aufweisen, wobei die Scheiteldichtungen die Arbeitskammern zwischen den Profilflächen von dem ersten und dem zweiten Arbeitsglied bestimmen, dadurch verbessert, daß die Dichtungs-Oberflächenprofile im wesentlichen kontinuierlich im Profil des zweiten Arbeitsgliedes an den Scheiteln verlaufen.

Die Erfindung hat ein neues Vorgehen bei der Fertigung einer Innenhüllen- und Außenhüllentrochoid Rotationskolbenmaschine mit. einem ersten Arbeitsglied mit nach einer Trochoidkurve geformten Profilfläche urdeinem zweiten Arbeitsglied mit einer

Profilfläche einer entsprechenden Hüllkurve, die eine Mehrzahl von Scheiteln, an welchem entsprechende Scheiteldichtungen vorgesehen sind, zur Folge. Jede Dichtung weist zur Abdichtung der Profilflächen des ersten Arbeitsgliedes ein Profil auf, das durch die Auswahl eines idealen Trochoidprofiles unter Berücksichtigung einer üblichen Dichtungsüberhöhung für die Scheiteldichtung ausgewählt ist durch Erzeugung eines Trochoid-BAndprofiles mit einer equidistanten inneren und äußeren Linie. Dabei wird die Profilfläche des ersten Arbeitsgliedes von der äußeren Linie und die des zweiten Arbeitsgliedes von der entsprechenden Hüllkurve abgeleitet und zur Bildung einer Innenhüllmaschine die Profilfläche des ersten Arbeitsgliedes von der inneren Linie und die des zweiten Arbeitsgliedes von einer Außenhüllenkurve des Trochoidbandes abgeleitet, so daß die Oberflächenprofile der Dichtung im wesentlichen kontinuierlich hinsichtlich der zweiten Arbeitsgliedprofilfläche an dem Scheitel verlaufen.

Einzelheiten einer derart aufgebauten Rotationskolbenmaschine werden an Hand einer Kreiskolbenmaschine zusammen mit der Ausgestaltung der Dichtung im folgenden in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen erläutert.

In der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 schematisch ein Diagramm zur Erläuterung des Verfahrens zur Erzeugung eines modifizierten epitrochoiden Profiles gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung einer Kreiskolbenmaschine mit idealen Arbeitsprofile an einer Epitrochoid-Maschine vom Innenhüllentyp,

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung der Idealprofile ^ für eine Epitrochoid-Maschine des Außenhüllentyps,

Fig. 4 einen Ausschnitt einer schematischen Schnittdarstellung zur Erläuterung des Profilverlaufes am Arbeitsglied im Scheitelbereich bei einer herkömmlichen Epitrochoidalmaschine mit Innenhüllenprofil,

Fig. 5 eine entsprechende Schnittdarstellung bei einer üblichen Epitrochoidmaschine mit Außenhüllenprofil,

Fig. 6 eine entsprechende Schnittdarstellung der Arbeitsprofile ■ im Scheitelbereich für eine Epitrochoidmaschine mit Innenhüllenprofil gemäß der Erfindung,

Fig. 7 eine entsprechende Schnittdarstellung der Arbeitsprofile im Scheitebereich für eine Epitrochoidmaschine.mit Außenhüllenprofil gemäß der Erfindung und

Fig. 8 eine schematische Schnittdarstellung einer Epitrochoidmaschine, wie sie entsprechend der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung mit Fig. 6 aufzubauen ist.

Entsprechend der festgelegten Terminologie beziehen sich 'die Begriffe "Innenhüllentyp" und "Außenhüllentyp" auf die Art, wie die Profile der Arbeitsglieder bei einer Trochoid-Drehkolbenexpansionskammer angeordnet werden. Typische Formen von Trochoidanordnungen haben ein (sich nicht drehendes) Gehäuse (Außenläufer) zur Aufnahme eines kreisenden Innenläufers darin. Dabei kann die Peripherie des Innenläufers die Form einer Epitrochoiden oder Hypotrochoiden aufweisen oder aber der Innenläufer bildet in Form der Einhüllenden zu vorgenannten Kurven das Gegenprofil.

Dj__e Bezeichnungen "Epltrochoide" und "Hypotrochoide" bezieht sich auf die Art, wie die Kurven einer Trochoidmaschine erzeugt werden, wie es beschrieben ist in dem US-PS 3 117 5Gl von Bonavevei. Die Art wie Trochoidkurven gebildet werden, ist allgemein bekannt. Die vorliegende Erfindung eignet sich für alle Arten

¹^-³ von rotierenden Trochoidmaschinen, jedoch wird die Erfindung im folgenden aus Anschaulichkeitsgründen unter Bezugnahme auf eine Maschine des Epitrochoid-Typs erläutert.

Eine Epitrochoide wird gebildet durch Auswahl eines Grundkreises und eines Rollkreises mit einem Durchmesser größer als derjenige des Grundkreises. Der Grundkreis ist innerhalb des Rollkreises angeordnet, so daß der Rollkreis in der Lage ist auf dem Umfang des Grundkreises abzurollen. Die Entfernung zwischen den Mittelpunkten des Grundkreises und des Rollkreises wird üblicherweise bezeichnet als die Exzentrizität "e" der Epitrochoidmaschine. Die Epitrochoide ist definiert durch den gemeinsamen Ort aller Punkte, die die Spitze einen sich radial erstreckenden Armes, der an dem Rollkreis befestigt ist und dessen inneres Ende an dem Mittelpunkt des Rollkreises befestigt ist, beschreibt, wenn der Rollkreis abgerollt wird auf dem Umfang des fest angeordneten Grundkreises. Die Einhüllenden werden erzeugt durch Festhalten des Rollkreises und Abrollen des Basiskreises, der die Epitrochoidkurve trägt, um den inneren Umfang des Rollkreises. Die innere Einhüllende ist die innere Linieführung des Weges, der durch die Bewegung der Epitrochoide gemacht wird und die äußere Einhüllende ist die äußere Linienführung von diesem Weg. In einer typischen "Innenhüllen" Epitrochoideinrichtung wird der Innenläufer bestimmt durch das Hüllprofil und dreht sich relativ zu dem Rollkreis, der sich um den Grundkreis dreht. Bei einer "Außenhüllen" Epitrochoideinrichtung wird der Innenläufer bestimmt durch das Epitrochoidkurvenprofil, so daß der Innenläufer sich zu dem Grundkreis relativ dreht, der sich seinerseits um den Rollkreis dreht.

Innenhüllen und Außenhüllen Eplotrochoidprofile können verschiedene ■Formen annehmen. Die zwischen dem Epitrochoid- Arbeitsprofil und der peripheren Wandfläche des Hüllenarbeitsprofiles gebildeten Räume dienen zur Bildung von Strömungskammern, wie sie für Verbrennungsmaschinen, Kompressoren, Expander, Meßgeräte usw. verwendet werden. Obgleich es bei derartigen Maschinen üblich ist, das Gehäuse festzuhalten, während der Innenläufer sich in dem Gehäuse dreht, ist die Erfindung auch anwendbar bei

"^ Trochoidmaschinen, bei der irgendeine von den drei Maschinen-

- komponenten (das ist die Kurbelachse, das Trochoidglied oder das Hüllenglied) festgehalten werden, wie es offenbart wird z.B. in der US-PS 30 091 386 von Paschke, wo bie Kurbelachse festgehalten wird und sich das Innenläufergehäuse dreht.

Fig. 1 zeigt die Abwicklung eines idealen Epitrochoid-Kurvenprofiles. Zunächst wird ein Grundkreis 10 und ein Rollkreis 11 ausgewählt, wobei der Rollkreis einen größeren Durchmesser hat als der Grundkreis. Das Verhältnis der Durchmesser bildet üblicherweise eine ganze Zahl. Die Mittelpunkte 12 und 13 der beiden Kreise sind so in einem Abstand, der sogenannten Exzentrizität e,voneinander angeordnet, daß die Kreise sich an einem Punkt ihres Umfanges berühren. Die Länge des erzeugenden Armes wird dann bestimmt, wodurch eine ideale Epitrochoide

15 definiert ist durch den gemeinsamen Ort aller Punkte, der durch die Spitze des erzeugenden Armes, der an dem Rollkreis befestigt ist, beschrieben wird, wenn der Rollkreis auf dem Umfang des Grundkreises,der feststeht, abgerollt wird.

^V Die Fig. 2 zeigt Idealprofile, die erzeugt sind für die Arbeit s-glieder einer Expitrochoidanordnung 20 vom Innenhüllentyp. Fig. 3 zeigt die Profile der Arbeitsglieder einer Epitrochoianordnung des Aussenhüllentypes. In beiden Fällen ist ein

Gehäuse 22, ein Innenläufer 23 und eine Antriebswelle 24 vorgesehen, nc
*"* die dem Grundkreis entspricht. Der Innenläufer 23 bewegt sich in einer kreisenden Drehbewegung um die Antriebswelle 24 innerhalb des Gehäuses 22 um einen Nocken 25, der auf der Welle 24 angeordnet ist. Der Innenläufer selbst ist drehbar auf dem Nocken 25 über ein Gleitlager 26 geführt. Der Mittelpunkt des Nockens

ist identisch mit dem des Rollkreises bei einer Innenhülleneinrichtung und mit dem des Grundkreises bei einer Außenhülleneinrichtung. Zur Erzeugung des Planetenbewegung des Innenläufers um den Nocken, wenn dieser sich um die Achse der Welle 24 dreht, ist ein Ausgleichgetriebemechanismus (nicht dargestellt)

vorgesehen, wie es beispielsweise gezeigt ist in der US-PS 3 881 847 von Chen für ein Innenhüllenepitrochoid. Derartige Ausgleichgetriebe sind auf dem Fachgebiet allgemein bekannt und enthalten ein erstes Zahnrad, das an dem Innenläufer befestigt ist und sich mit diesem dreht und ein konzentrisches zweites Zahnrad das mit dem Gehäuse fest verbunden ist. Bei einer Innenhülleneinrichtung ist das Innenläuferzahnrad ein Zahnkranz, während bei einer Außenhülleneinrichtung das Innenläuferzahnrad als Ritzel ausgebildet ist. Die Beziehung zwischen den beiden Zahnrädern sichert einen kontinuierlichen Kontakt zwischen jedem der Scheitel des Hüllenarbeitsgliedes und dem peripheren Profil der Epitrochoideinheit.

Die Anordnungen 20 und 21 benützen den Raum, welcher zwischen den peripheren Wandflächen 27 der Gehäuseausnehmung 28 und den äußeren Profilflächen 29 des Innenläufers 23 gebildet werden, zur Bildung von Strömungskammern, wie sie für Verbrennungsmaschinen, Kompressoren, usw. benötigt werden. Aus Gründen der Einfachheit sind in den Zeichnungen die Ein- und Auslaßöffnungen für das strömende Medium zu den Arbeitskammern nicht dargestellt. Die Profile, wie sie in den Figuren 2 und 3 wiedergegeben sind, stellen ideale Epitrochoide und zugehörige Hüllkurven dar. Wenn die Anordnungen 20 und 21 ohne spezielle Dichtungen arbeiten könnten, würde das Verdichtungsverhältnis das bei der Bewegung der Arbeitsteile zueinander entsteht, optimal sein und einen idealen Wert annehmen. Wenn auch bei der Anordnung 20 der Innenläufer im wesentlichen dreieckig geformt und für eine relative Bewegung in einer Gehäuseinnenausnehmung mit doppelter Trochoide geführt ist und die Anordnung 21 einen Innenläufer mit drei sch konvex erstreckenden Abschnitten zeigt, der zur relativen Bewegung in einer Gehäuseausnehmung mit vier kontavförmigen peripheren Aufnahmeflächen versehen ist, so erfolgt diese Auswahl nur aus Anschaulichkeitsgründen anstelle einer Vielzahl von Profilen, die alle irgendein Innenhüllen- oder Äußenhüllen-Epitrochoid-Profil sein können. Viele anderen Ausbildungen von Epitrochoid - Profilen sind möglich in Innenhüllen- und Außenhüllengestaltungen, abhängig von dem

Exzenter zwischen den Achsen von dem Roll (-erzeugenden) Kreis und Grundkreis und dem Verhältnis ihrer Durchmesser.

In der Praxis muß bekanntlich der Innenläufer abgedichtet längs der Gehäusewandung geführt werden. Hierzu werden im allgemeinen periphere Dichtungsstreifen vorgesehen, um die zwischen den axial versetzten Seitenwänden des Innenläufers und den entsprechenden Seitenwänden des Gehäuses gebildeten Arbeitskammern abzudichten. Weiter werden Dichtungsringe seitlich unterhalb der peripheren Dichtungsstreifen an beiden Seitenwänden des Innenläufers angeordnet zum Abdichten ■ des Raumes zwischen Exzenter und Welle gegen Bereiche unterhalb der peripheren Dichtungsstreifen. Solche Dichtungsanordnungen sind beispielsweise in Verbindung mit einer Außenhüllenepitrochoidmaschine in der US-PS 3 193 186 von Peras offenbart.

Zur Abdichtung der Arbeitskammern gegeneinander werden üblicherweise sich quer über die Scheitefceile(das sind die Punkte in dem Profil, wo benachbarte periphere Flächen zusammenstoßen) erstreckende Scheiteldichtungsglieder vorgesehen. Unter Bezugnahme auf die Figuren 4 und 5 wird der übliche Aufbau zur Befestigung der sich axial erstreckenden Dichtungsglieder 30 gezeigt, die sich radial über das entsprechende Kurventeil ausdehnen und in Ausnehmungen 31 an den Scheitelpunkten der

^-¹ Hüllenprofile angeordnet sind. Dabei besitzen die Scheiteldichtungen im allgemeinen ein gewölbtes Oberflächenprofil, das sich von dem Scheitelpunkt weg zur dichtenden Anlage an der Wandfläche

,erstreckt, des Gliedes mit der Epitrochoidform /Die Scheiteldichtungen

sind vorgespannt in radialer Richtung, um eine gute kontinuierlich ^" wirkende dichtende Anlage mit der Profilfläche des Epitrochoidgliedes zu garantieren. Der Mittelpunkt der Wölbung der Dichtungsfläche ist üblicherweise im Scheitelpunkt des Hüllgliedprofiles, so daß die Dichtungsflächen nach außen über die benachbarten Oberflächen des Hüllkurvengliedes um einen Abstand überstehen,

der im wesentlichen gleich dem Radius der Kurvenform ist.

Zum Anpassen der überstehenden Bereiche der Dichtungen ohne das.Dichtungsglied unzulässigen radialen Beschleunigungen

] und Abnutzungen/unterw<erfen wird, hat man bei herkömmlichen

Anordnungen das entsprechende periphere Profil des Epitrochoidgliedes ausgedreht oder vertieft, um den Abstand X gleich dem nach außen stehenden Vorsprung der Scheiteldichtungen, c wie es vorausgehend beschrieben wurde. Bei Anwendung an einen Innenhüllentyp 20', wie in der Fig. 4 gezeigt, bewirkt eine derartige Ausnehmung, daß das tatsächlich wirksam werdende Wandprofil 33, welches die Ausnehmung 34 des Gehäuses 35 formt, insgesamt radial nach auswärts zurückgezogen ist von dem idealen

IQ Epitrochoidprofil 36. Bei einer Außenhülleneinrichtung 21', wie in Fig. 5 gezeigt, bringt eine derartige Ausnehmung mit sich, daß das tatsächliche periphere Flächenprofil des Epitrochoidarbeitsgliedes, nämlich des Innenläufers 38, insgesamt nach innen radial zurückgesetzt ist von dem idealen Epitrochoidprofil 39. Dadurch wird ein zusätzliches freies Volumen in den Arbeitskammern der Drehkolbeneinrichtung erzeugt, welche das tatsächliche Verdichtungsverhältnis entsprechenö&eduziert.

Um diesen nachteiligen Effekt zu verringern, werden bei herkömmliehen Maschinen die Oberflächenkurvenformen für die Scheiteldichtungen 30 auf einen möglichst geringen Dichtungskontakt reduziert. Dabei muß natürlich in der Praxis eine Dichtung breiter sein als ein einziger Punkt; trotzdem die Breite einer Scheiteldichtung 30 nur etwa gleich einer Schnurlänge zu sein braucht, die zweimal einen Neigungswinkel 40 einschließt, wobei der Winkel 40 eine Hälfte des Bogenwinkels beträgt, den die Dichtungsoberflächenkurve beschreibt. Dadurch kann gemäß der herkömmlichen Praxis bei Epitrochoidrotationsanordnungen nicht ein ideales Verdichtungsverhältnis erreicht werden, sondern es entstehen zusätzlich Bruch-und Abnutzungsprobleme für Scheiteldichtungen aufgrund des Wunsches eine möglichst geringe Ausdehnung .der Dichtung zuzulassen oder aber hohe Herstellungskosten, indem nur- sehr teueres Material das nur geringer Abnutzung unterworfen ist, eingesetzt wird für Scheiteldichtungen.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es durch verschiedenartige Annäherung an Arbeitsprofile in Trochoiddrehkolbeneinrichtungen, daß das ideale oder nahezu ideale Verdichtungsverhältnis erreicht werden kann und trotzdem breite Dichtungsflächen verwendet werden können, die ermöglichen, Scheiteldichtungen aus billigerem und weicherem Material zu formen. Die Figuren 6 und 7 zeigen Arbeitsgliederprofile für Kolbenbereiche 20'' und 21" einer Innenhüllen- und einer Außenhüllenepitrochoidmaschine, wie sie in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufzubauen sind.

Bei einer Innenhüllenanordnung, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, wird ein abgewandeltes Hüllenprofil verwendet, um eine periphere Oberfläche 41 für den Innenläufer 42 zu bilden, so daß benachbarte periphere Flächen der Oberfläche 41 kontinuierlich oder im wesentlichen fluchtend mit der Dichtungsfläche

43 des Scheiteldichtgliedes 44 verlaufen. Jede Scheiteldichtung

44 ist in einem Dichtungsausnahmeschlitz oder einer Nut 45, vorzugsweise unter elastischer Vorspannung, befestigt. Der Mittelpunkt der Kurve der Dichtungsoberfläche ist im wesentlichen radial innerhalb des entsprechenden Zwischenabschnittsscheitels benachbarter Flächen längs des Innenläuferumfanges 41 angeordnet. Aus Vergleichsgründen zeigt der punktierte Profilverlauf 46 das Profil, wie es herkömmlich für den Innenläufer ausgebildet wäre, wenn es nach dem Stand der Technik, wie er an Hand der Fig. 4 beschrieben wurde, ausgeführt wäre. Der Mittelpunkt der Kurve für die Scheiteldichtungsflache ist etwa dort angeordnet, wo der Scheitelpunkt für das herkömmliche Hüllengliedprofil 46 liegen würde, überall ist beim abgewandelten Innenläufer das modifizierte Profil radial nach außen versetzt von dem herkömmlichen Hüllenprofil 46 in einem Abstand im wesentlichen gleich mit dem Radius der Kurve für die gebogene Dichtungsfläche 43 der Scheiteldichtung.

^ Das Profil 47, das die Gehäuseausnehmung 48 in dem Gehäuse 49 gestimmt, ist eine Epitrochoidprofilkurve, die ebenfalls

modifiziert ist gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Hüllenaußenprofil 41 ist abgeleitet von dem modifizierten Epitrochtbidprofil 47. Dementsprechend ist eine verbesserte Raumbeziehung im Lauf zwischen dem Gehäuseprofil 47 und dem Innenläuferaußenprofil 41 bei einer Innenhüllenrotationskolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung gegeben. Diese Relation reduziert wesentlich den durch die hervorstehende Scheiteldichtung sonst geschaffenen Freiraum, so daß nahezu ideale Verdichtungsverhätlnisse möglich werden. Darüberhinaus können, weil Dichtungsfreiräume nicht langer von in nach der Erfindung aufgebauten Trochoidmaschinen auftreten, sehr viel breitere Dichtungsflächen an den Hüllenscheiteln als bisher verwendet werden. Durch die Verwendung breiterer Scheiteldichtungen erhöht sich die Lebensdauer für Scheiteldichtungen und / oder die Dichtungen können aus weicherem und billigerem Material aufgebaut werden.

Bei einer Realisierung einer Innenhüllenversion nach der Erfindung wird vorzugsweise das modifizierte Hüllenprofil 41 des Innenläufers vorzugsweise in der Nähe der Scheiteldichtungen 44 zurückgezogen geformt oder hinderdreht, um einige mögliche mechanische Störung, die sich beim Lehrgang im Ausgleichsgetriebe ergeben könnte, zu vermeiden. Dies dadurch, weil ein Schlupf in dem Getriebe Drehfehler in der Innenläuferbewegung erzeugen können, was zu Störungen in dem Bereich der Hüllenscheitel führen kann. Dies konnte ein Schaben neben den Dichtungen zur Folge haben, was durch Zurücknehmen der Innenläüferoberfläche um ■ eine geringe Tiefe anschließend an die Seiten der Scheiteldichtung 44 vermieden wird. Die maximale Tiefe dieser peripheren Vertiefung soll dabei beispielsweise maximal nur wenige Hundertstel eines

^ Inch. Deshalb ist die tatsächliche Oberfläche für den Innenläufer 42 gezeigt als Oberfläche 50 in Fig. 6.

Fig. 8 zeigt eine entsprechende Innenhüllen- Epitrochoid-Drehkolbenmaschine 60 mit einem Aufbau gemäß der Erfindung nach Fig. 6. Die Drehkolbenmaschine 60 hat ein Gehäuse 61 mit einer Ausnehmung 62 mit einer Innenfläche 63 mit einem

Epitrochoidprofil. Die Ausnehmung 62 ist symmetrisch zur Achse 64, welches die Mittelachse einer Kurbel 65 ist. Auf der Kurbel ist ein Exzenter 66 mit einer Achse 67 geführt. Der Innenhüllenläufer 68 hat eine zentrale Innenausnehmung konzentrisch um den Exzenter 66 und ist symmetrisch um die Achse 67 aufgebaut

die und somit radial versetzt von der Achse 64 durch/Exzentrizität

e. Ein kreisförmiges Gleitlager 69 liegt konzentrisch um die Achse 67 zwischen dem Exzenter 66 und dem Innnenläufer 68 für eine Relativdrehung des Innenläufers zum Exzenter.

Die Gehäuseausnehmung 63 hat zwei konkave Scheitelbereiche 70 und 71 und der Innenläufer 68 hat drei Scheitel 72 bis 74. Es sei darauf hingewiesen, daß natürlich epitrochoidale Ausnehmungen mit mehr Scheitelbereichen und Innenläufer mit mehr Scheiteln verwendet werden können. Die Scheitel 72 bis 74 enthalten Scheideldichtungen 75 bis 77 in geeigneten Scheitelschlitzausnehmungen. Vorzugsweise ist jede Dichtung federnd radial nach außen vorgespannt und bildet mit einer unüblichen Breite eine abgerundete Dichtungsfläche zur Anlage an der Gehäuseinnenwand 63. Die Scheiteldichtungen dienen zum Abdichten der Strömungskammern, wie sie mit 78 und 79 bezeichnet sind und wie sie abgeschlossen sind zwischen der peripheren Profilfläche 80 des Innenläufers 68 und der Gehäuseinnenwand 63. Übliche periphere Dichtungsstreifen 81 bis 83 sind in seitlichen Vertiefungen, welche in den gegenüberliegenden Seitenwänden des Innenläufers 68 angeordnet sind, gehalten zur Abdichtung der Seitenwände des Innenläufersgehäuses 61. Ein üblicher Wellendichtungsring 84 ist ebenfalls vorgesehen in entsprechenden Seitenausnehmungen in den Innenläuferseitenwandungen.

Selbstverständlich sind auch, in der Zeichnung nicht gezeigte Ausgleichsgetriebeglieder vorgesehen zur Steuerung der Planetenbewegung des Innenläufers 68 in dem Gehäuse 61.

Die Einrichtung 60, wie sie dargestellt ist, kann als Kompressionsmaschine arbeiten. Hierzu sind Einströmöffnungen 85 und 86 vorgesehen, die sich radial durch das Gehäuse 61 erstrecken

und in die Arbe.itskammern 78 und 79 münden. Diese Einströmöffnungen sind mit geeigneten Einlaßventilen (nicht gezeigt) versehen, beispielsweise in Form mechanisch betätigter Ventile. Ausströmöffnungen 87 und 88 sind an benachbarten gegenüberliegenden Enden der entsprechenden Arbeitskammern 78 und 79 gegenüber den Einströmöffnungen vorgesehen. Die Ausströmöffnungen führen zu entsprechenden Abflußleitungen 89 und 90, welche in die Atmosphäre oder zu weiteren Arbeitsgliedern, wie beispielsweise eine zweite Expanisionsmaschine führen können. Die Austritte 87 und 89 bzw. 88 und 90 enthalten keine Ventile, da das öffnen

und Schließen der Austrittsöffnungen im Bereich der Arbeitskammern durch die Bewegung von den seitlichen Dichtungsstreifen 81 und 83 gesteuert wird, welche über und unterhalb der Austrittsöffnungen 87 und 88 vorbeigleiten·
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Bein einer mit unter Druck stehendem Fluid angetriebenen Maschine dienen die Versorgungsbehälter 91 und 92 als Druckmittelquelle, wie beispielsweise von einem Boiler gelieferter Dampf, die direkt mit den Einströmöffnungen 85 und 86 verbunden sind. Bei einer Drehung des Innenläufer 68 bei einer Ausführung nach Fig. 8 im Uhrzeigersinn ist dann, wenn der Innenläufer 68 eineLage, wie sie dort gezeigt wird, aufweist, die Arbeitskammer 78 frei, mit der Austrittsöffnung 87 verbunden, während die Ausgangsöffnung 88 abgeschlossen ist und in die Kammer 79 unter Druck stehendes Fluid strömt» Wie aus Fig. 8 zu ersehen, hat die Kammer 79 zu diesem Zeitpunkt nicht ihr Maximalvolumen und das Fluid, das über die Einströmöffnung 86 zugeführt wird, löst eine Drehung und damit einen Arbeitszyklus in der Kammer 78 aus, sobald der Arbeitszyklus in der Kammer 79 abgeschlossen ^ou ist. Die Ausdehnung des Fluids in den Kammern veranlaßt den Innenläufer 68 sich zu drehen. Die Drehung der Kurbel 65 ergibt sich aus der Bewegung des Innenläufers und die Maschine arbeitet in an sich bekannter Weise kontinuierlich.

Der Fachmann weiß, daß eine Drehkolbenmaschine 80 auch zu anderen Zwecken eingesetzt werden kann, z.B. als Verbrennungsmaschinen oder Kompressoren durch entsprechende Änderung der Eintrittsund Austrittsöffnungen und in einigen Fällen durch Änderungen

der Kurbelwelle 65 für einen externen Antrieb zur Bewegung • des Innenläufers 68 in dem Gehäuse 61.

An Hand der Fig. 7 wird nun der Aufbau einer Außenhüllendrehkolbenmaschine in Obereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erläutert. Das Hüllenglied ist nunmehr die Gehäuseinnenwandung 100, die eine Ausnehmung 101 in einem Motorgehäuse 102 begrenzt. Das Hüllenprofil ist erfindungsgemäß derart modifiziert, daß die gebogene Oberfläche 106 einer Scheiteldichtung 107 im wesentlichen kontinuierlich mit den benachbarten Flächen des Profiles der Gehäuseausnehmung verläuft. Jede Scheiteldichtung 106 ist in einem Dichtungsschlitz oder einer Nut/vorzugsweise unter federnder Vorspannung gehalten, und zwar derart, daß der Mittelpunkt der Oberfläche der Dichtungsfläche im wesentlichen radial außerhalb der entsprechenden Verbindungspunkte im Scheitel benachbarter Flächen längs des Gehäusewandprofiles 100 zu liegen kommt. Aus Vergleichsgründen zeigt die punktierte Linie 105 ein Profil, wie es üblicherweise bei einer derartigen Maschine mit Außenhüllenaufbau im Gehäuse vorgesehen wird, wie dies vorstehend in Verbindung mit der Fig. 5 bereits erläutert wurde. Der Mittelpunkt der Kurvenform für die Scheiteldichtung

105 ist dort in etwa angeordnet, wo der Scheitelpunkt des üblichen Hüllenkurvenprofiles 105 liegt. Längs der ganzen Kurve ist die modifizierte Profilausnehmung um das modifizierte Profil 100 gleichmäßig radial nach innen versetzt gegenüber dem üblichen Hüllkurvenprofil durch einen Abstand der im wesent- r liehen gleich dem Radius der Kurvenform der Scheiteldichtungsfläche

106 entspricht.

^ου Das Hüllprofil 100 ist abgeleitet von einer modifizierten Epitrochoidkurve, welche die periphere Fläche 103 des Epitrochoidarbeitsgliedes, nämlich des Innenläufers 104 bildet. In ähnlicher Weise, wie vorstehend in Verbindung mit der Fig. 6 erläutert, wird ein verbessertes Verdichtungsverhältnis zwischen dem

Gehäuseprofil 100 und dem Innenläuferaußenprofil 103 bei einer solchenAußenhüllenärehkolbenmaschine, die in Übereinstimmung

mit der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, erreicht. Weil der Dichtungsfreiraum bei einer nach der Erfindung aufgebauten Trochoidmaschine nicht verändert wird, können beeitere Dichtungsflächen an den Hüllenscheiteln verwendet werden.

Bei der Realisierung einer Außenhüllenversion einer Maschine nach der Erfindung, wie vorstehend diskutiert in Verbindung mit einer Innenhüllenversion, würde das modifizierte Hüllenprofil 100 an den Scheiteldichtungen 107 benachbarter Flächen gegebenenfalls bei Leerlauf und Schlupf im Ausgleichsgetriebe angeschabt werden. Solches Schaben kann im Bereich einer zu der Scheiteldichtung 107 zulaufenden Ausnehmung längs des äußeren Hüllenprofiles mit größter Tiefe unmittelbar an deren Seiten mit einer minimalen Tiefe auftreten, nicht aber im Zwischenbereich zwischen benachbarten Scheiteln, um dies zu vermeiden, wird die Wand im gefährdeten Bereich um maximal einige Hundertstel eines Inch, zurückgezogen. Entsprechend ist die tatsächliche Seitenfläche für das Innenläufergehäuse 102 als Fläche 109 in Fig. 7 wiedergegeben.

Die Weise, in welcher die modifizierten Arbeitsprofile gebildet werden, wird im folgenden in Verbindung mit der Fig. 1 erläutert. Ein Grundkreis 10, ein Rollkreis 11 und der Erzeugungsarm 14 zur Erzeugung einer idealen Epitrochoidkurve werden festgelegt.

Dann wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung der Kennzeichnungspunkt auf dem Erzeugungsarm 14 ersetzt durch eine Scheibe 110. Die Scheibe hat einen Radius 111 gleich zu einen vorbestimmten Dichtungsoberflächenverlauf der Scheiteldichtungen, in Form eines Radius der Dichtungsoberfläche. Der Radius 111 bestimmt dabei den Wert des Vorsprunges, um den die Epitrochoidprofile bei herkömmlichen Maschinen zurückgesetzt wurden zur Anpassung der Dichtungserstreckung in der Innenläufergehäuseausnehmung. Das ideale Epitrochoidprofil 15 wird gemäß

der Erfindung nicht verwendet zum Aufbau der Drehkolbeneinheit, or
^ου Die Scheibe 110 ersetzt den Führungspunkt auf dem erzeugenden Arm 14 zur Wiedergabe eines Epitrochoidbandes wie es allgemein mit 112 bezeichnet ist. Dieses Band hat eine Innenlinie 113 und eine Außenlinie 114 an beiden Seiten, wobei das ideale

Epitrochoidprofil 15 dazwischen liegt. Für eine Innenhülleneinrichtung, wie sie vorstehend in Verbindung mit der Fig. 6 erläutert wurde, dient die äußere Linie als Epitrochoidkurve für das Innenläufergehäuse, von welchem das Inenhüllenprofil für den Innenläufer abgeleitet wird. Für eine Außenhülleneinrichtung, wie sie in Verbindung mit der Fig. 7 beschrieben wurde, dient die innere Linie 113 als Epitrochoidkurve für das Läuferaußenprofil. Die Außenhüllenkurve, die von dieser Epitrochoid-Innenläuferprofil abgeleitet wird, dient als Gehäuseinnenprofil.

Die Innen- und Außenhüllenepitrochoidanordnungen gemäß der Erfindung, die so abgeleitet werden, vermeiden die Anwesenheit eines DichtungsvorSprunges und damit eines Freiraumes in den Arbeitskammern und ermöglichen damit das Verdichtungsverhältnis in einer Drehkolbenmaschine dem idealen Verhältnis anzupassen.

Um angenähert die gleiche Versetzung wie bei einer idealen Epitrochoideinrichtung zu erhalten, wolche abgeleitet würde von der Kurve 15, kann die Länge des erzeugenden Armes 14 vergrößert werden, um eine Außenhülleneinrichtung gemäß der Erfindung zu erzeugen, oder verkürzt werden, um eine Innenhüllenmaschine aufzubauen, und zwar jeweils um den Wert des Vorsprunges (Radius) der Dichtung.

Die breiter gewölbten Oberflächen der Scheiteldichtungen, wie sie in Drehkolbenmaschinen mit gemäß der Erfindung modifizierten Profilen verwendet werden können, ermöglichen die Anwendung von Bogenlängen an den Dichtungsflächen größer als 30° oder Nachbarwinkel von größer als 15°. Es liegt weiter innerhalb der vorliegenden Erfindung, daß auch oval oder ellyptisch "^" geformte Dichtungsflächen verwendet werden können, anstelle! von halbkreisförmigen Profilen. In jedem Fall werden diese Dichtungen einen Vorsprung aufweisen, durch welchen die modifizierte Trochoid Profile abgeleitet werden können in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.

Claims

Dipl.-Ing. RUDOLF SEIBERT

Rechtsanwalt u. Patentanwalt
Tattenbachstraße 9
8000 MÜNCHEN 22

Titel: Rotationskolbenmaschine mit verbesserter Dichtungsanordnung

PATENTANSPRÜCHE

Trochoid- Rotationskolbenmaschine mit einem ersten Arbeitsglied mit einer Arbeitskurvenfläche gemäß einem Trochoid und einem zweiten Arbeitsglied mit einer Arbeitskurvenfläche mit einem Verlauf entsprechend der Hüllkurve zu dem Trochoid, wobei das zweite Arbeitsglied mit dem Hüllkurvenprofil mehrere Scheitel aufweist, an denen gewölbte Dichtungen zur Anlage an der Arbeitskurvenfläche des ersten Arbeitsgliedes angeordnet sind, so daß zwischen den Arbeitskurvenflächen beider Arbeitsglieder mehrere Arbeitskammern gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Arbeitskurvenflächen des ersten Arbeitsgliedes eine um den Radius (111) der Wölbung einer Scheiteldichtung (32) radial versetzte Kurve und für das zweite Arbeitsglied die entsprechende Hüllkurve verwendet ist, so daß das Oberflächenprofil einer Dichtung im wesentlich kontinuierlich in das Oberflächenprofil des zweiten Arbeitsgliedes zu liegen kommt.

Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trochoidkurve eine Epitrochoidkurve vorgesehen ist.

Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trochoidkurve eine Hypotrochoidkurve vorgesehen ist.

4. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Scheiteldichtungen benachbarten Flächen des zweiten Arbeitsgliedes gegenüber der idealen Kurve geringfügig abgetragen sind zur Vermeidung des Kratzens der Oberfläche des ersten Arbeitsgliedes in diesem Bereich bei Leerlauf oder Schlupf.

5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der abgetragene Teil um weniger als 5/100 inch, zurückgezogen ist.

6. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Realisierung des Motors als Innenhüllentyp, das erste Arbeitsglied durch das Gehäuse mit einem Inneprofil in Form einer Trochoide gebildet ist, und daß das zweite Arbeitsglied in Form des Innenläufers, drehbar in der Ausnehmung des ersten Arbeitsgliedes gelagert ist und die Dichtungen trägt.

7. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trochoideinrichtung vom Aussenhüllentyp gebildet ist, in dem das erste Arbeitsglied durch einen in dem das zweite Arbeitsglied bildenden Gehäuse gelagert ist, wobei die die einzelnen Kammern abgrenzenden Dichtungen'an den dem Innenläufer zugewandten Scheitelflächen angeordnet sind.

8. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 7, dadurch

^O gekennzeichnet, daß die Bogenlänge jedes Scheiteldichtungsflächenprofiles mehr als 30 Grad beträgt.

9. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Scheiteioc

^J dichtungen federndin Richtung auf ihre Anlageflächen vorgespannt sind.